Il trasferimento di calore in un mezzo poroso come il suolo può essere un processo complesso. Il calore viene condotto attraverso i solidi del suolo e l'acqua, ma viene anche trasportato come calore latente nei pori del suolo. Ciò rende la modellazione del flusso di calore nel suolo interessante e complessa, poiché coinvolge processi termici e idraulici.
Il movimento del vapore attraverso i pori può trasportare quantità sostanziali di calore latente, ma se il terreno intorno alla fonte di calore non è abbastanza umido da permettere all'acqua di tornare indietro ed evaporare di nuovo, il terreno presso la fonte di calore si asciugherà. L'essiccamento del terreno intorno a una fonte di calore come un cavo elettrico può creare il potenziale di fuga termica che può portare al cedimento del cavo. La comprensione della stabilità termica del terreno può aiutare gli ingegneri energetici a progettare in modo più accurato i sistemi di distribuzione dell'energia elettrica per evitare la fuga termica.
L'appendice B del National Electrical Code (B.310.15(B)(2)) recita: "I valori tipici della resistività termica (rho) sono i seguenti:
Tuttavia, come hanno scoperto molti ingegneri che hanno utilizzato "90" come valore di rho sicuro e tipico, il NEC è semplicemente sbagliato. Questi numeri sono essenzialmente privi di significato perché non esiste un "terreno medio", né umido né secco.
Quarant'anni di ricerca sulla termica del suolo dimostrano che:
Anche in un sistema di cavi interrati ben progettato, il terreno può rappresentare la metà o più della resistenza termica totale. Le proprietà termiche del terreno e del riempimento non devono essere date per scontate. Queste proprietà sono relativamente facili da misurare sul campo e in laboratorio. Un'installazione sicura e professionale richiede la misurazione e la valutazione effettiva della resistenza termica.
Se un rapporto sulla resistività termica del terreno recita solo "Il terreno X ha una resistività termica di XXX °C-cm/W", chiedete chiarimenti. Qual era il contenuto di umidità? Quanto era denso il terreno? Ci sono sostanze organiche nel terreno? L'umidità, la densità e la composizione del suolo sono fattori critici nel determinare la resistività termica di un terreno. Qualsiasi rapporto sulla resistività termica ai fini della progettazione deve includere i dati relativi al contenuto di umidità e alla densità. Dovrebbe essere inclusa anche una descrizione fisica del terreno. La curva di essiccazione termica è il modo più completo per riportare la resistività termica del terreno. Le curve di essiccazione termica possono essere automatizzate con lo strumento di laboratorioVARIOS .
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Il capitolo 5 della Soil Science Society of America (SSSA) Methods of Soil Analysis Part 4 tratta del calore del suolo. Il TEMPOS e VARIOS dimensioni degli aghi delle sonde, i tempi di riscaldamento, le specifiche di precisione e l'analisi dei dati interni soddisfano o superano le raccomandazioni indicate nei metodi SSSA.
Il TEMPOS è un analizzatore di proprietà termiche da campo completamente portatile. Il VARIOS è uno strumento da laboratorio che misura la resistività/conduttività termica in laboratorio in funzione del contenuto d'acqua. Genera automaticamente curve di essiccazione termica con centinaia di punti dati. Entrambi gli strumenti utilizzano il metodo della sorgente di calore in linea transitoria che riduce il movimento dell'acqua, velocizzando la misura e rendendola più accurata. La sofisticata analisi dei dati si basa su oltre 40 anni di esperienza di ricerca sul trasferimento di calore e massa nei terreni e in altri materiali porosi.
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Misurare con precisione le proprietà termiche dei materiali è facile con TEMPOS o VARIOS, ma stabilire un protocollo di misura efficace e controllare attentamente i fattori importanti che influenzano le proprietà termiche può essere impegnativo e richiede tempo.
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La fisica del suolo è sempre più critica nella progettazione e nella realizzazione di sistemi sotterranei di trasmissione e distribuzione di energia.
Non c'è modo di misurare le proprietà dei materiali umidi e porosi con il metodo dello stato stazionario (piastra protetta). Il metodo delle sorgenti di calore lineari transitorie, invece, è in grado di misurare le proprietà termiche dei materiali umidi e porosi e può persino misurare la conduttività termica e la resistività termica dei fluidi.
La comprensione della stabilità termica di un terreno può aiutare gli ingegneri energetici a progettare in modo più accurato i sistemi di distribuzione dell'energia elettrica per evitare il runaway termico.
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